KR102460460B1 - Hydrocarbon pyrolysis apparatus and operation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화수소 열분해 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸브의 제어를 통해 고온 반응기의 내부의 탄화수소 가스의 압력을 급격히 변동시킴으로써, 압력 변동에 따른 강한 파동과 펄스 유동을 발생시켜 촉매에 증착된 탄소를 주기적으로 탈착시켜 촉매의 활성을 유지할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrocarbon pyrolysis apparatus and a method for operating the same, and more particularly, by rapidly changing the pressure of hydrocarbon gas inside a high-temperature reactor through valve control, a strong wave and pulse flow according to the pressure change are generated to catalyze the catalyst It relates to a technology for maintaining the activity of a catalyst by periodically desorbing carbon deposited on it.

Description

탄화수소 열분해 수소생산 장치 및 이의 운용 방법{HYDROCARBON PYROLYSIS APPARATUS AND OPERATION METHOD THEREOF} Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus and operating method thereof

본 발명은 수소를 생산하는 탄화수소 열분해 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화수소 가스의 유량 및 압력을 제어함으로써 촉매에 증착된 탄소를 제거하여 촉매의 활성을 유지할 수 있어서 이산화탄소의 배출을 최소화하면서도 수소를 연속적으로 생산할 수 있는 탄화수소 열분해 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrocarbon pyrolysis device for producing hydrogen and an operating method thereof, and more particularly, by controlling the flow rate and pressure of hydrocarbon gas, it is possible to remove carbon deposited on the catalyst to maintain the activity of the catalyst, thereby reducing the emission of carbon dioxide It relates to a hydrocarbon pyrolysis device capable of continuously producing hydrogen while minimizing it and an operating method thereof.

수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지기술인 연료 전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 또한, 현재 인류가 당면하고 있는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 가장 유력하고 유일한 대안으로 평가되고 있으며, 특히 21세기에는 지구온난화와 대기오염의 대비 및 에너지 안보와 자급 차원에서 수소의 제조, 저장 및 이용에 관한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다.Hydrogen is widely used as a raw material for chemical products and as a process gas for chemical plants, and its demand is increasing recently as a raw material for fuel cells, which is a future energy technology. In addition, it is evaluated as the most powerful and only alternative to solve the problems of environmental problems and fossil fuel price increase or exhaustion that mankind is currently facing. Research on the production, storage, and use of hydrogen is being actively conducted around the world.

수소는 궁극적으로 재생 가능한 에너지원으로부터 제조되는 것이 이산화탄소도 발생시키지 않고 바람직한 것으로 평가되고 있으나, 현재로서는 석탄이나 천연가스로부터 제조되는 것이 가장 경제적이며 이산화탄소 배출을 상당부분 줄일 수 있다. Although hydrogen is ultimately evaluated as desirable to be produced from renewable energy sources without generating carbon dioxide, it is currently the most economical to produce hydrogen from coal or natural gas and can significantly reduce carbon dioxide emissions.

탄화수소로부터 수소를 대량으로 생산하는 방법으로는, 천연가스의 수증기 개질법, 탄화수소의 부분산화법 등이 공지되어 있으나, 기존의 방법들은 많은 양의 이산화탄소가 동시에 생성되기 때문에 지구온난화와 같은 환경문제를 유발하는 문제점이 있다.As a method for mass production of hydrogen from hydrocarbons, steam reforming of natural gas, partial oxidation of hydrocarbons, etc. are known, but the existing methods generate a large amount of carbon dioxide at the same time, which causes environmental problems such as global warming. There is a problem.

다른 방법으로는, 연구가 많이 진행되어 노르웨이를 비롯한 일부 국가에서 상업화 단계에 있는 플라즈마 분해법을 들 수 있다. 그러나, 플라즈마 분해법은 전력이 많이 소요되기 때문에 경제성이 없으며, 전력 생산에 이산화탄소의 방출이 불가피하므로 환경적인 문제가 제기될 수 있다.Another method is plasma decomposition, which has been well researched and is in the commercialization stage in some countries, including Norway. However, the plasma decomposition method is not economical because it consumes a lot of power, and since the emission of carbon dioxide is inevitable for power generation, an environmental problem may be raised.

또 다른 방법으로는, 천연가스, 중질유, 콜타르(coal tar) 등을 고온 열분해하여 카본블랙과 수소를 생산하는 공정을 들 수 있다. 그러나, 이 방법은 1400 ℃ 이상의 매우 높은 반응온도를 필요로 하며, 생성되는 카본의 침적으로 인하여 2개의 반응기를 주기적으로 사용하는 번거로움이 있는 반-연속식 공정이다.As another method, there may be mentioned a process of producing carbon black and hydrogen by thermally decomposing natural gas, heavy oil, coal tar, etc. at high temperature. However, this method requires a very high reaction temperature of 1400° C. or more, and is a semi-continuous process in which it is cumbersome to use two reactors periodically due to deposition of carbon produced.

또 다른 방법으로는, 탄화수소의 직접 분해 시 필요로 하는 높은 반응온도를 낮추기 위한 방법으로 금속촉매를 사용하는 촉매분해법을 들 수 있다. 그러나, 촉매분해반응에서 생성되는 카본이 촉매에 증착되어 의 활성을 저하시키는 문제점이 발생하여, 활성이 저하된 촉매를 재생하기 위하여 고온에서 공기 또는 수증기를 이용하여 촉매를 재생하는 공정이 추가로 요구되며, 이러한 재생과정에서 온실가스인 이산화탄소가 발생하는 문제점이 있다.As another method, a catalytic decomposition method using a metal catalyst as a method for lowering the high reaction temperature required for the direct decomposition of hydrocarbons may be used. However, there is a problem in that carbon generated in the catalytic decomposition reaction is deposited on the catalyst and lowers the activity of the catalyst, so a process of regenerating the catalyst using air or water vapor at a high temperature is additionally required to regenerate the catalyst with reduced activity. There is a problem in that carbon dioxide, a greenhouse gas, is generated in this regeneration process.

한편, 탄화수소 열분해 장치에 관한 종래기술로는 대한민국등록특허 제10-0886148호가 있다.On the other hand, as a prior art related to a hydrocarbon pyrolysis device, there is Korean Patent Registration No. 10-0886148.

탄화수소를 고온의 반응기에서 직접 탄소와 수소로 분해하는 연구는 1400도 이상의 고온의 반응이 필요하여 효율적인 운전이 어렵고 촉매를 사용하여 반응온도를 500~ 700도 내외로 낮춘 경우에는 생성된 탄소가 촉매의 활성을 떨어뜨리는 문제가 해결되지 않고 있다. 저하된 촉매 활성은 코크(coke)를 생성시키기 때문에 반응의 전환율을 떨어뜨리며 열분해의 생성 가스의 선택성(selectivity)를 크게 떨어뜨린다.Research on decomposing hydrocarbons into carbon and hydrogen directly in a high-temperature reactor requires a reaction at a high temperature of 1400 degrees or more, making it difficult to operate efficiently. The problem of deactivation remains unresolved. The lowered catalytic activity lowers the conversion rate of the reaction because it generates coke, and the selectivity of the product gas of pyrolysis is greatly reduced.

본 발명에서는 초기 담지체에 올린 촉매가 초기의 활성을 계속 유지하기 위하여, 생성된 탄소가 가능한 촉매에 증착을 최소화 하며, 증착된 탄소가 유동과 중력에 의해 쉽게 반응기에서 나오도록 하는 것이다.In the present invention, in order to keep the initial activity of the catalyst mounted on the initial support, the generated carbon is minimized as possible in the catalyst, and the deposited carbon is easily released from the reactor by flow and gravity.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 밸브의 제어를 통해 탄화수소 가스의 유량 및 압력을 제어함으로써 고온 반응기의 강한 유동 요동(fluctuation flow)과 난류(turbulence flow)로 촉매에 증착된 미세한 탄소를 주기적으로 탈착시켜 촉매의 활성을 유지하거나 촉매의 수명을 늘이는 운전장치와 장치의 운전 방법이다. 반응기의 압력 제어를 통해 강한 비정정상 유동이 발생하도록 하기 위해 두 개의 밸브(가스 공급밸브와 배기 조절 밸브)와 압력센서, 이를 지원하는 제어기를 사용하여 수소와 탄소를 생산하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention is to solve the above problems, and by controlling the flow rate and pressure of hydrocarbon gas through the control of a valve, the fine carbon deposited on the catalyst with strong flow fluctuation and turbulence flow of a high-temperature reactor. It is a method of operating an operating device and device that maintains the activity of the catalyst or extends the life of the catalyst by periodically desorbing it. To provide a method for producing hydrogen and carbon using two valves (gas supply valve and exhaust control valve), a pressure sensor, and a controller supporting it to generate a strong unsteady flow through the pressure control of the reactor. There is a purpose.

본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above problem, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 to achieve the above purpose

본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 이의 운용 방법은 퍼지 밸브를 반응기의 운전조건에 따라 개방 및 폐쇄시킴으로써 고온 반응기 내부에 큰 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하고, 이러한 파동에 의해 촉매와 담지체가 진동하면서 촉매에 증착된 탄소가 탈착된다. 또한, 퍼지 밸브 개방 시에 고온 반응기와 탄소포집부 간의 큰 압력차에 의해 탄화수소 가스가 유속이 급격히 증가하면서 하강하게 됨에 따라 촉매에 증착된 탄소가 하강하는 탄화수소 가스에 의해 쓸려나가 탄소포집부에 회수된다.The hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus and its operating method according to the present invention open and close the purge valve according to the operating conditions of the reactor to generate a wave due to a large pressure fluctuation inside the high-temperature reactor, and by such a wave, the catalyst and the carrier are The carbon deposited on the catalyst is desorbed while vibrating. In addition, when the purge valve is opened, the hydrocarbon gas rapidly increases and descends due to a large pressure difference between the high-temperature reactor and the carbon capture unit. do.

이에 따라 촉매에 증착된 탄소가 제거되기 때문에 촉매의 활성을 유지할 수 있다.Accordingly, since carbon deposited on the catalyst is removed, the activity of the catalyst can be maintained.

또한, 상기와 같이 퍼지 밸브를 주기적으로 개방 및 폐쇄하여 촉매에 증착된 탄소를 회수하는 운용 방법 이외에도 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어를 통해 탄화수소 가스의 공급 유량 및 압력을 조절함으로써 촉매에 증착된 탄소를 제거하는 것도 가능하다.In addition, in addition to the operation method of recovering carbon deposited on the catalyst by periodically opening and closing the purge valve as described above, the carbon deposited on the catalyst is removed by controlling the supply flow rate and pressure of the hydrocarbon gas through the control of the hydrocarbon gas supply control valve. It is also possible to remove it.

또한, 제1 및 제2압력센서 중 적어도 하나를 통해 파악된 고온 반응기의 내부의 압력값이 설정값을 초과할 경우 퍼지 밸브를 큰 수준으로 개방시켜 반응기 내부의 급격한 압력변동에 따른 파동을 야기하여 촉매에 증착된 탄소를 이탈시킬 수 있다. In addition, when the pressure value inside the high-temperature reactor detected through at least one of the first and second pressure sensors exceeds the set value, the purge valve is opened to a large level to cause a wave according to the rapid pressure fluctuation inside the reactor, thereby causing the catalyst. The carbon deposited on the can be released.

또한 제1 및 제2압력센서 중 적어도 하나를 통해 파악된 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차를 통해 촉매에 증착된 탄소의 양을 파악하여 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 기준 값을 초과할 경우 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간을 증대시켜 촉매에 증착된 탄소를 제거할 수 있다. 이때, 상기와 같이 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간 증대에도 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 고온 반응기의 반응 온도를 증가시켜 생성된 탄소가 서로 엉겨 붙는 것을 방지하여 탄소 덩어리의 입자 크기를 더 작게 하고 촉매에 흡착되지 않도록 하여 촉매에 증착된 탄소의 양을 감소시킬 수 있다.In addition, the amount of carbon deposited on the catalyst is determined through the pressure difference between the inlet and the outlet of the high-temperature reactor detected through at least one of the first and second pressure sensors, so that the pressure difference between the inlet and the outlet of the high-temperature reactor exceeds the reference value. In this case, the carbon deposited on the catalyst can be removed by increasing the opening period and time of the purge valve. At this time, if the pressure difference between the inlet and outlet of the high-temperature reactor does not decrease even when the opening period and time of the purge valve are increased as described above, the hydrocarbon gas supply control valve is controlled to reduce the supply flow rate of the hydrocarbon gas to reduce the amount of carbon produced or By increasing the reaction temperature of the high-temperature reactor, the amount of carbon deposited on the catalyst can be reduced by preventing the produced carbon from coagulating with each other, thereby making the particle size of the carbon lump smaller and not adsorbing to the catalyst.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 퍼지 밸브를 개방시켰을 때의 고온 반응기 내부의 압력변동을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 탄화수소 가스 공급량을 변화시켰을 때의 고온 반응기 내부의 압력변동을 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the pressure fluctuations inside the high-temperature reactor when the purge valve is opened in the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the pressure fluctuations inside the high-temperature reactor when the hydrocarbon gas supply amount is changed in the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.A preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, but already known technical parts will be omitted or compressed for the sake of brevity of description.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소를 연속적으로 생산할 수 있는 탄화수소 열분해 장치에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a hydrocarbon pyrolysis device capable of continuously producing hydrogen according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 보여주는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는 제어기(1), 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10), 릴리프 밸브(40), 고온 반응기(50), 퍼지 밸브(20) 및 탄소포집부(90)를 포함하여 형성된다.1, the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention is a controller 1, a hydrocarbon gas supply control valve 10, a relief valve 40, a high temperature reactor 50, a purge valve (20) and is formed to include a carbon collecting unit (90).

제어기(1)는 탄화수소 열분해 장치의 전체구성을 제어하기 위해 마련된다.The controller 1 is provided to control the overall configuration of the hydrocarbon pyrolysis device.

탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)는 탄화수소 가스 공급 배관(12)에 설치되는 유량제어밸브이며 제어기(1)에 의해 개폐되어 탄화수소 가스 공급 배관(12) 및 가스 분배기(51)로의 탄화수소의 공급 및 유량/압력을 제어하며, 탄화수소 가스 공급 배관(12)에는 제1압력센서(11)가 설치된다. 제어기(1)는 제1압력센서(11) 및 제2압력센서(22)의 적어도 하나에 의해 측정된 압력 측정값에 따라 탄화수소 가스의 공급 유량 및 압력을 제어함으로써 탄화수소 가스에 의한 고온 반응기(50)의 압력을 설정된 압력으로 제어한다. 탄화수소 가스 공급 배관(12)의 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)로는 고압의 탄화수소 가스가 공급된다.The hydrocarbon gas supply control valve 10 is a flow control valve installed in the hydrocarbon gas supply pipe 12 and is opened and closed by the controller 1 to supply and flow the hydrocarbon to the hydrocarbon gas supply pipe 12 and the gas distributor 51 . / The pressure is controlled, and a first pressure sensor 11 is installed in the hydrocarbon gas supply pipe 12 . The controller 1 controls the supply flow rate and pressure of the hydrocarbon gas according to the pressure measurement values measured by at least one of the first pressure sensor 11 and the second pressure sensor 22, thereby generating the high temperature reactor 50 by the hydrocarbon gas. ) is controlled to the set pressure. High-pressure hydrocarbon gas is supplied to the hydrocarbon gas supply control valve 10 of the hydrocarbon gas supply pipe 12 .

릴리프 밸브(40)는 평소에는 폐쇄된 상태로 유지되다가 제1압력센서(11) 및 제2압력센서(22)에 의해 측정된 압력 측정값이 미리 설정된 고온 반응기(50) 목표 압력에 비해 현저히 높아지는 경우와 같이 압력제어에 오류가 발생한 경우에 제어기(1)에 의해 개방되어 탄화수소 가스를 외부로 배출함으로써 긴급 상황의 안전을 대비하기 위해 마련된다.The relief valve 40 is normally maintained in a closed state, and the pressure measurement value measured by the first pressure sensor 11 and the second pressure sensor 22 is significantly higher than the preset high temperature reactor 50 target pressure. As in the case of an error in pressure control, it is opened by the controller 1 to discharge hydrocarbon gas to the outside, thereby preparing for safety in an emergency situation.

유량제어기(MFC)(18)는 비활성가스 공급배관(17)에 형성되어 반응기(50)로 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 비활성가스를 공급하는 기능을 한다. The flow controller (MFC) 18 is formed in the inert gas supply pipe 17 and functions to supply an inert gas such as argon (Ar) or helium (He) to the reactor 50 .

고온 반응기(50)는 탄화수소 가스를 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해하기 위해 마련되며, 히터가 구비된 퍼니스(53)가 고온 반응기(50)의 외측 둘레를 감싸도록 형성되고, 고온 반응기(50)의 내부에는 담지체에 담지된 촉매(52)가 구비된다. 이에 따라 고온 반응기(50)로 공급된 탄화수소 가스는 촉매(52)의 존재 하에 퍼니스(53)의 히터에 의해 가열된 가스로부터 열을 흡수하는 흡열반응을 통하여 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해된다. 고온 반응기(50)는 탄화수소 가스 공급 배관(12) 및 반응완료 가스 배출 배관(92)에 연결된다.The high-temperature reactor 50 is provided to decompose hydrocarbon gas into gaseous hydrogen and solid carbon, and a furnace 53 equipped with a heater is formed to surround the outer periphery of the high-temperature reactor 50, and the high-temperature reactor A catalyst 52 supported on a support is provided inside the 50 . Accordingly, the hydrocarbon gas supplied to the high-temperature reactor 50 is converted into gaseous hydrogen and solid carbon through an endothermic reaction that absorbs heat from the gas heated by the heater of the furnace 53 in the presence of the catalyst 52. is decomposed The high-temperature reactor 50 is connected to the hydrocarbon gas supply pipe 12 and the reaction completion gas discharge pipe 92 .

이때, 담지체는 다수의 촉매(52)를 담지할 수 있도록 높은 다공성을 가지고 조건에 따라 촉매(52)에 증착한 고체 상태의 탄소가 중력과 유동에 의해 아래로 떨어질 수 있도록 설계되며, 촉매(52)는 니켈, 철, 탄소, 백금족 금속(PGM) 등의 불균일 촉매가 사용된다. 담지체의 기공도(porosity)는 30~97%의 범위에서 선택할 수 있다. 담지체의 기공도가 너무 작은 경우에는 촉매로부터 탄소를 이탈(탈착)시켜 배출하는 과정이 방해를 받을 수 있어서 바람직하지 않다. 즉 압력변동에 의한 파동으로 발생한 충격이 충분히 촉매에 가해지려면 높은 기공성을 가져야 하며, 이후 촉매로부터 탈락된 탄소가 쉽게 담지체를 빠져나가기 위해서도 담지체의 기공도는 높아야 하는 것이다.At this time, the support has high porosity so as to support a plurality of catalysts 52 and is designed so that the solid carbon deposited on the catalyst 52 can fall down by gravity and flow depending on conditions, and the catalyst ( 52), nickel, iron, carbon, a heterogeneous catalyst such as platinum group metal (PGM) is used. The porosity of the support may be selected in the range of 30 to 97%. If the porosity of the support is too small, it is not preferable because the process of releasing (desorption) and discharging carbon from the catalyst may be hindered. That is, in order for the shock generated by the wave caused by the pressure fluctuation to be sufficiently applied to the catalyst, it must have high porosity, and the porosity of the support must be high in order for the carbon that is later removed from the catalyst to easily escape the support.

또한, 탄화수소 가스는 메탄, 프로판, 부탄, 액화석유가스(LPG ; Liquified Petroleum Gas), 액화천연가스(LNG ; Liquified Natural Gas) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한 탄화수소 가스 이외에도 메탄올, 에탄올 등이 사용될 수도 있다. In addition, as the hydrocarbon gas, methane, propane, butane, liquefied petroleum gas (LPG), liquefied natural gas (LNG), etc. may be used alone or in combination. In addition to hydrocarbon gas, methanol, ethanol, etc. may be used.

탄소포집부(90)는 탄소를 포집 및 회수하여 외부로 배출하기 위한 구성으로서 사이클론방식 또는 정전기집진방식의 탄소포집장치이며, 탄소포집부(90)의 내측에는 탄소필터(91)가 구비된다.The carbon collecting unit 90 is a carbon collecting device of a cyclone method or an electrostatic dust collecting method as a configuration for collecting and recovering carbon and discharging to the outside, and a carbon filter 91 is provided inside the carbon collecting unit 90 .

퍼지 밸브(20)는 정상 작동 조건에서는 반응기의 내부의 압력값을 일정하게 유지시키기 위해 제어기(1)에 의해 일정 운전조건(반응기 내부 설정압력값 초과시)에 도달하면 개방하였다가 폐쇄되는 작동을 하도록 제어되며 그 결과 촉매(52)에 증착된 탄소가 촉매(52)에서 이탈되어 촉매(52)의 활성을 유지할 수 있도록 한다. 이 때 퍼지 밸브(20)의 개방은 큰 수준으로 개방되어 거의 최대한으로 열려짐으로써 반응기의 내부에 급격하고 큰 수준의 압력변동을 야기한다. 즉 퍼지 밸브의 개방은 반응기 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 기능도 물론 수행하지만 본 발명에서는 반응기의 내부의 압력의 급격한 변동을 발생시키는 작동을 하게 되는 것이므로 퍼지 밸브는 최대한으로 열려지는 수준으로 크게 개방되는 것이다.The purge valve 20 opens and closes when a predetermined operating condition (when exceeding the set pressure value inside the reactor) is reached by the controller 1 to maintain a constant pressure value inside the reactor under normal operating conditions. Controlled and, as a result, the carbon deposited on the catalyst 52 is released from the catalyst 52 to maintain the activity of the catalyst (52). At this time, the opening of the purge valve 20 is opened at a large level and is opened almost to the maximum, thereby causing a sudden and large level of pressure fluctuation in the reactor. That is, the opening of the purge valve also performs a function of maintaining a constant pressure inside the reactor, but in the present invention, the operation of generating a sudden change in the pressure inside the reactor is performed. will become

또한, 탄소포집부(90)에 회수된 고체 상태의 탄소를 외부로 배출할 때에는 제어기(1)에 의해 퍼지 밸브(20)가 폐쇄됨으로써 수소와 미반응 탄화수소가 혼합된 혼합 가스가 반응완료 가스 배출 배관(92)으로 흐르지 못하도록 함으로써 가스가 누출되는 것을 방지한다. 반응완료 가스 배출 배관(92)에는 제2압력센서(22)가 설치된다. In addition, when discharging the solid carbon recovered in the carbon collection unit 90 to the outside, the purge valve 20 is closed by the controller 1 so that the mixed gas in which hydrogen and unreacted hydrocarbons are mixed is discharged as the reaction completion gas The gas is prevented from leaking by preventing it from flowing into the pipe 92 . A second pressure sensor 22 is installed in the reaction completion gas discharge pipe 92 .

이하에서는 상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 장치의 운용 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation method of the hydrocarbon pyrolysis device according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail.

먼저, 정상 작동 조건에서는 탄화수소 가스가 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)를 거쳐 탄화수소 가스 공급 배관(12) 및 가스 분배기(51)를 통해 고온 반응기(50)로 공급되고, 퍼지 밸브(20)는 일정 조건에 도달하였을 때에 개방되었다가 폐쇄된다.First, under normal operating conditions, hydrocarbon gas is supplied to the high-temperature reactor 50 through the hydrocarbon gas supply control valve 10 through the hydrocarbon gas supply pipe 12 and the gas distributor 51, and the purge valve 20 is constant. It opens and closes when a condition is reached.

이때 퍼지 밸브(20)가 폐쇄된 상태에서 탄화수소 가스가 공급된 고온 반응기(50)의 압력은 일정 수준을 유지하게 되며, 반응기(50)의 내부의 압력은 퍼지 밸브(20)의 아래쪽(예를 들면 탄소포집부 등)의 압력보다는 훨씬 크게 된다. 따라서 퍼지 밸브(20)가 일정 조건하에 개방되면, 반응기(50)의 내부와 밸브(20)의 아래쪽의 압력차에 의해, 고온 반응기(50) 내부에 큰 압력 변동이 발생하고 또한 압력변동에 따른 파동(반응기 내부의 충격)이 발생한다. 이러한 파동에 의해 촉매(52)와 담지체는 진동을 일으키게되며 그 결과 촉매(52)로부터 탄소가 이탈된다. 도 2를 참조하면, 퍼지 밸브(10)가 개방(On)되면 반응기 내부의 압력은 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있고 퍼지 밸브(10)가 폐쇄(Off)되면 다시 반응기 내부 압력이 상승하는 것을 알 수 있다. 또한 퍼지 밸브(10)의 온/오프는 반응기 내부의 운전조건(반응기 내부 압력값)에 따라 반복적으로 이루어지게 된다. 즉 반응기 내부 압력이 설정값을 초과하는 조건이 발생할 때마다 퍼지 밸브(20)는 개방되었다가 폐쇄되는 작동을 반복하게 된다. 여기서 반응기(50)의 내부의 압력은 제1압력센서 또는 제2압력센서에 의해 측정될 수 있다.At this time, in a state in which the purge valve 20 is closed, the pressure of the high-temperature reactor 50 to which the hydrocarbon gas is supplied is maintained at a certain level, and the pressure inside the reactor 50 is lower than the purge valve 20 (eg, For example, it becomes much larger than the pressure of the carbon capture part, etc.). Therefore, when the purge valve 20 is opened under a certain condition, a large pressure fluctuation occurs in the high-temperature reactor 50 due to the pressure difference between the inside of the reactor 50 and the lower side of the valve 20, and also A wave (impact inside the reactor) is generated. These waves cause the catalyst 52 and the support to vibrate, and as a result, carbon is released from the catalyst 52 . Referring to FIG. 2 , when the purge valve 10 is opened (On), it can be seen that the pressure inside the reactor drops rapidly, and when the purge valve 10 is closed (Off), it can be seen that the pressure inside the reactor rises again . In addition, the on/off of the purge valve 10 is repeatedly performed according to the operating conditions inside the reactor (reactor internal pressure value). That is, whenever a condition in which the internal pressure of the reactor exceeds the set value occurs, the purge valve 20 opens and closes repeatedly. Here, the pressure inside the reactor 50 may be measured by a first pressure sensor or a second pressure sensor.

또한, 퍼지 밸브(10) 개방 시에 고온 반응기(50) 내부와 탄소포집부(90) 내부의 압력차에 의해 고온 반응기(50)에 있던 가스가 급격하게 하강하게 되고 촉매(52)에서 이탈된 탄소는 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 탄소포집부(90)에 회수된다.In addition, when the purge valve 10 is opened, the gas in the high-temperature reactor 50 is rapidly lowered due to the pressure difference between the inside of the high-temperature reactor 50 and the inside of the carbon trapping unit 90 , and is separated from the catalyst 52 . Carbon is recovered to the carbon collection unit 90 through the reaction completion gas exhaust pipe 92 .

구체적으로, 퍼지 밸브(20)가 폐쇄되면 반응완료 가스 배출 배관(92)으로 가스가 유출되지 못하기 때문에 고온 반응기(50)에 공급된 가스가 고온 반응기(50) 내부에 채워지면서 고온 반응기(50) 내부의 압력이 크게 상승하게 되고, 이 상태에서 퍼지 밸브(20)가 개방되면 고온 반응기(50) 내부에 머물던 가스가 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 유출되면서 고온 반응기(50) 내부의 압력이 급격하게 하강하게 된다. 따라서, 퍼지 밸브(20)가 개방되면 고온 반응기(50) 내부에 큰 압력 변동이 발생하게 되고, 이러한 압력 변동에 따라 고온 반응기(50) 내부에 파동이 발생하여 촉매(52)와 담지체를 진동시켜서 촉매(52)에 증착된 탄소를 이탈시키는 것이다.Specifically, when the purge valve 20 is closed, the gas supplied to the high-temperature reactor 50 is filled in the high-temperature reactor 50 because the gas does not flow out to the reaction-completed gas discharge pipe 92, and the high-temperature reactor 50 ) internal pressure rises significantly, and when the purge valve 20 is opened in this state, the gas remaining inside the high-temperature reactor 50 flows out through the reaction completion gas discharge pipe 92, and the inside of the high-temperature reactor 50 The pressure drops sharply. Therefore, when the purge valve 20 is opened, a large pressure fluctuation occurs inside the high-temperature reactor 50, and a wave is generated inside the high-temperature reactor 50 according to the pressure fluctuation to vibrate the catalyst 52 and the support. to release the carbon deposited on the catalyst 52 .

또한, 퍼지 밸브(20)가 폐쇄되면 반응완료 가스 배출 배관(92)으로 가스가 이송되지 못하기 때문에 탄소포집부(90)로는 더 이상 가스가 공급되지 않는 상태이다. 즉, 고온 반응기(50)의 내부 압력은 상대적으로 높은 상태가 되고, 탄소포집부(90)의 내부 압력은 상대적으로 낮은 상태가 된다. 이러한 상태에서 퍼지 밸브(20)가 개방되면 고온 반응기(50)와 탄소포집부(90) 내부의 큰 압력차에 의해 고온 반응기(50) 내부의 가스가 급격하게 하강하면서 촉매(52)로부터 이탈된 탄소를 휩쓸어 내려가서 탄소포집부(90)로 보내게 된다.In addition, when the purge valve 20 is closed, since the gas cannot be transferred to the reaction completion gas discharge pipe 92 , gas is no longer supplied to the carbon collecting unit 90 . That is, the internal pressure of the high-temperature reactor 50 is in a relatively high state, and the internal pressure of the carbon collecting unit 90 is in a relatively low state. In this state, when the purge valve 20 is opened, the gas inside the high-temperature reactor 50 rapidly falls due to a large pressure difference between the high-temperature reactor 50 and the carbon collecting unit 90 and is separated from the catalyst 52. The carbon is swept down and sent to the carbon collection unit 90 .

상기와 같이 퍼지 밸브(20)가 일정한 시간 간격으로 개방과 폐쇄를 반복하는 동작을 함에 따라 촉매(52)에 증착된 고체 상태의 탄소가 촉매(52)로부터 이탈된 후 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 하강하여 탄소포집부(90)로 회수되고 발생된 수소는 수소 배출 배관(81)을 통해 이송된다.As described above, as the purge valve 20 repeats opening and closing at regular time intervals, the solid carbon deposited on the catalyst 52 is released from the catalyst 52 and then the reaction completion gas discharge pipe 92 ) and is recovered to the carbon capture unit 90 , and the generated hydrogen is transferred through the hydrogen discharge pipe 81 .

이때, 상기와 같이 정상 작동 중 제1압력센서(11) 및 제2압력센서(22)는 각각 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력과 출구 쪽 압력을 지속적으로 측정하여 측정값을 제어기(1)로 송신하며, 제어기(1)는 수신 받은 고온 반응기(50)의 입구와 출구 쪽 압력 값을 통해 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차를 파악하여 촉매(52)에 증착된 탄소의 양을 파악할 수 있다. 즉, 촉매(52)에 증착된 탄소의 양이 많은 경우에는 증착된 탄소가 가스가 유동할 수 있는 공간들을 막는 작용을 함에 따라 고온 반응기(50)로 공급된 탄화수소 가스가 고온 반응기(50)의 하단으로 원활하게 이동하지 못하여 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력은 상승하고 출구 쪽 압력은 하강하게 된다. 이에 따라, 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력과 출구 쪽 압력의 차이가 증가하게 된다. 반면 촉매(52)에 증착된 탄소의 양이 적은 경우에는 고온 반응기(50)로 공급된 탄화수소 가스가 고온 반응기(50)의 하단으로 원활하게 이동하면서 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력과 출구 쪽 압력이 차이가 줄어들게 된다. 따라서, 고온 반응기(50)의 입구와 출구 쪽 압력 값을 통해 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차를 파악하면 촉매(52)에 증착된 탄소의 양을 파악할 수 있는 것이다.At this time, during normal operation as described above, the first pressure sensor 11 and the second pressure sensor 22 continuously measure the inlet pressure and the outlet pressure of the high-temperature reactor 50, respectively, and transmit the measured values to the controller (1). and the controller 1 grasps the pressure difference between the inlet and the outlet of the high-temperature reactor 50 through the received pressure values of the inlet and outlet of the high-temperature reactor 50, and the amount of carbon deposited on the catalyst 52 can figure out That is, when the amount of carbon deposited on the catalyst 52 is large, the hydrocarbon gas supplied to the high-temperature reactor 50 becomes The pressure at the inlet side of the high-temperature reactor 50 rises and the pressure at the outlet side of the high-temperature reactor 50 falls because it cannot move smoothly to the bottom. Accordingly, the difference between the pressure at the inlet side and the pressure at the outlet side of the high-temperature reactor 50 increases. On the other hand, when the amount of carbon deposited on the catalyst 52 is small, the hydrocarbon gas supplied to the high-temperature reactor 50 smoothly moves to the lower end of the high-temperature reactor 50, and the pressure on the inlet side of the high-temperature reactor 50 and the outlet side The pressure difference will decrease. Accordingly, if the pressure difference between the inlet and outlet of the high-temperature reactor is determined through the pressure values of the inlet and outlet of the high-temperature reactor 50 , the amount of carbon deposited on the catalyst 52 can be determined.

이렇게 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 미리 설정된 기준 값을 초과하는 경우 제어기(1)는 퍼지 밸브(20)를 폐쇄시켰다가 개방시켜줌으로써 촉매(52)에 증착된 탄소를 제거시키는 것이다.When the pressure difference between the inlet and the outlet of the high-temperature reactor 50 exceeds a preset reference value, the controller 1 closes and opens the purge valve 20 to remove carbon deposited on the catalyst 52 . .

이때, 상기와 같이 퍼지 밸브(20)를 폐쇄하였다가 개방시키는 작업을 수행했음에도 불구하고 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 또는 고온 반응기(50)의 반응 온도를 증가시켜 생성된 탄소가 서로 엉겨 붙는 것을 방지하여 탄소 덩어리의 입자 크기를 더 작게 함과 동시에 생성된 탄소가 촉매(52)에 흡착되지 않도록 하여 촉매(52)에 증착된 탄소의 양을 감소시킬 수 있다.At this time, when the pressure difference between the inlet and outlet of the high-temperature reactor 50 does not decrease despite the closing and opening of the purge valve 20 as described above, the hydrocarbon gas supply control valve 10 is controlled to control the hydrocarbon gas. By reducing the supply flow rate of the gas to reduce the amount of carbon produced or by increasing the reaction temperature of the high-temperature reactor 50 to prevent the produced carbon from coagulating with each other, the particle size of the carbon mass is made smaller and the carbon produced at the same time It is possible to reduce the amount of carbon deposited on the catalyst 52 by preventing it from being adsorbed to the catalyst 52 .

이후, 고온 반응기(50)의 입구와 출구 쪽 압력차가 미리 설정된 기준 값 미만으로 낮아지게 되면 다시 정상 작동 조건으로 작동하게 된다. 이때의 기준 값은 정상 작동으로 돌아가기 위한 기준이 되는 값으로, 정상 작동 중 탄소를 더 많이 제거하기 위한 작동을 시작하는 기준 값과는 다르다. 즉, 정상 작동으로 돌아가기 위한 기준이 되는 값은 정상 작동 중 탄소를 더 많이 제거하기 위한 작동을 시작하는 기준 값보다 더 낮은 값으로 설정된다.Thereafter, when the pressure difference between the inlet and the outlet of the high-temperature reactor 50 is lowered to less than a preset reference value, the high-temperature reactor 50 operates under normal operating conditions. The reference value at this time is a reference value for returning to normal operation, and is different from the reference value for starting operation to remove more carbon during normal operation. That is, the reference value for returning to the normal operation is set to a value lower than the reference value for starting the operation for removing more carbon during the normal operation.

한편, 본 발명에서는 상기와 같이 퍼지 밸브(20)를 주기적으로 개방 및 폐쇄하여 촉매(52)에 증착된 탄소를 회수하는 방법 이외에도 제어기(1)에 의해 탄화수소 가스 공급 밸브(10)의 제어를 통해 탄화수소 가스의 공급 유량 및 압력을 조절함으로써 촉매(52)에 증착된 탄소를 회수하는 방법을 사용할 수 있다.Meanwhile, in the present invention, in addition to the method of recovering carbon deposited on the catalyst 52 by periodically opening and closing the purge valve 20 as described above, the controller 1 controls the hydrocarbon gas supply valve 10 through A method of recovering carbon deposited on the catalyst 52 by adjusting the supply flow rate and pressure of the hydrocarbon gas may be used.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 퍼지 밸브(20)가 개방된 상태에서 제어기(1)가 탄화수소 가스 공급 밸브(10)를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켰다가 다시 탄화수소 가스의 공급 유량을 급격하게 상승시키면, 고온 반응기(50) 내부에 큰 압력 변동(압력의 급격한 상승)에 따른 파동이 발생하도록 하고, 이러한 파동에 의해 촉매(52)와 담지체가 진동하면서 촉매(52)에 증착된 탄소가 탈착된다. 즉 도 3을 참조하면, 탄화수소 가스의 공급량을 서서히 감소시키다가 공급량이 최소화되는 시점에서 갑자기 탄화수소 가스 공급량을 급격히 증가시키면 반응기 내부의 압력이 최소수준이었다가 급격이 증가하는 것을 알 수 있다. Specifically, as shown in FIG. 3 , in the state in which the purge valve 20 is opened, the controller 1 controls the hydrocarbon gas supply valve 10 to reduce the supply flow rate of the hydrocarbon gas and then supply the hydrocarbon gas again. When the flow rate is rapidly increased, a wave is generated in the high-temperature reactor 50 due to a large pressure fluctuation (abrupt increase in pressure), and the catalyst 52 and the support are vibrated by this wave and deposited on the catalyst 52 . carbon is desorbed. That is, referring to FIG. 3 , when the supply amount of hydrocarbon gas is gradually decreased and the supply amount of hydrocarbon gas is suddenly increased at a time when the supply amount is minimized, it can be seen that the pressure inside the reactor is at a minimum level and then rapidly increases.

또한, 탄화수소 가스의 공급 유량이 급격하게 상승하면 고온 반응기(50)의 내부에 있던 가스가 급격하게 하강하면서, 촉매(52)로부터 이탈된 고체 상태의 탄소가 가스에 의해 휩쓸려서 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 하강하여 탄소포집부(90)에 회수된다.In addition, when the supply flow rate of the hydrocarbon gas rapidly increases, the gas inside the high-temperature reactor 50 drops rapidly, and the solid carbon separated from the catalyst 52 is swept by the gas, and the reaction completion gas discharge pipe ( 92) and is recovered to the carbon collecting unit 90 .

이때, 정상 작동 중 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 미리 설정된 기준 값을 훨씬 크게 초과하는 경우 제어기(1)는 탄화수소 가스 공급 밸브(10)를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 더 크게하여 그 결과 반응기 내부의 압력의 변동 폭을 더욱 크게 함으로써 촉매(52)에 증착된 탄소가 더 많이 이탈되어 제거되도록 할 수 있다.At this time, when the pressure difference between the inlet and the outlet of the high-temperature reactor 50 during normal operation significantly exceeds a preset reference value, the controller 1 controls the hydrocarbon gas supply valve 10 to increase the supply flow rate of the hydrocarbon gas As a result, the carbon deposited on the catalyst 52 may be more separated and removed by increasing the fluctuation range of the pressure inside the reactor.

이때, 상기와 같은 방법으로도 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 고온 반응기(50)의 반응 온도를 증가시켜서 탄소가 촉매(52)에 흡착되는 것을 감소시킬 수 있다.At this time, when the pressure difference between the inlet and the outlet of the high-temperature reactor 50 is not reduced even with the above method, as described above, the supply flow rate of the hydrocarbon gas is reduced to reduce the amount of carbon produced or the reaction of the high-temperature reactor 50 . The adsorption of carbon to the catalyst 52 can be reduced by increasing the temperature.

이상과 같은 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 이의 운용 방법은 퍼지 밸브를 급격히 개방시키거나 또는 탄화수소 가스의 공급 유량을 급격히 증대시킴으로써, 고온 반응기 내부에 큰 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하고, 이러한 파동에 의해 촉매와 담지체가 진동하면서 촉매에 증착된 탄소가 이탈되어 배출된다. 따라서 촉매에 증착된 탄소가 제거되기 때문에 촉매의 활성이 열화되는 것을 방지하거나 최소화시킬 수 있다.Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus and operating method thereof according to the present invention as described above by rapidly opening a purge valve or rapidly increasing the supply flow rate of hydrocarbon gas, so that a wave is generated due to a large pressure fluctuation inside the high-temperature reactor, As the catalyst and the carrier vibrate by these waves, the carbon deposited on the catalyst is released and discharged. Accordingly, since the carbon deposited on the catalyst is removed, deterioration of the catalyst activity can be prevented or minimized.

또한, 제1 및 제2압력센서를 통해 파악된 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차를 통해 촉매에 증착된 탄소의 양을 파악하여 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 기준 값을 초과할 경우 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간을 증대시켜 촉매에 증착된 탄소를 제거할 수 있다. 이때, 상기와 같이 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간 증대에도 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 고온 반응기의 반응 온도를 증가시켜 생성된 탄소가 서로 엉겨 붙는 것을 방지하여 탄소 덩어리의 입자 크기를 더 작게 하고 촉매에 흡착되지 않도록 하여 촉매에 증착된 탄소의 양을 감소시킬 수 있다.In addition, the amount of carbon deposited on the catalyst is determined through the pressure difference between the inlet and outlet of the high-temperature reactor detected through the first and second pressure sensors. Carbon deposited on the catalyst can be removed by increasing the valve opening period and time. At this time, if the pressure difference between the inlet and outlet of the high-temperature reactor does not decrease even when the opening period and time of the purge valve are increased as described above, the hydrocarbon gas supply control valve is controlled to reduce the supply flow rate of the hydrocarbon gas to reduce the amount of carbon produced or By increasing the reaction temperature of the high-temperature reactor, the amount of carbon deposited on the catalyst can be reduced by preventing the produced carbon from coagulating with each other, thereby making the particle size of the carbon lump smaller and not adsorbing to the catalyst.

또한 상기 퍼지 밸브의 제어에도 불구하고 압력차가 줄어들지 않을 경우 공급하는 탄화수소 가스의 양을 줄이는 방법을 사용할 수 있음을 설명하였는데, 이 경우 반응기로 유입되는 가스의 양이 작아지는 결과를 가져오게 된다. 그러나 반응기 내부의 가스의 양이 작아지면 앞서 설명한 퍼지 밸브를 개방하고 폐쇄하는 작동을 할때에 반응기 내부의 압력변동과 그에 따른 파동의 크기가 작아질 수 밖에 없고, 또한 퍼지밸브를 개방시에 반응기를 빠져나가는 반응완료가스의 유속도 감소될 수 밖에 없다. 따라서 본 발명에서는 탄화수소 가스의 공급량을 감소시키는 경우 그 감소되는 공급량을 보충하도록 제어기가 유량제어기(MFC)를 제어하여 반응기로 Ar, He와 같은 비활성 가스를 공급해주게 된다. 이 경우 비활성 가스는 반응에 참여하지 않으면서도 반응기 내부의 가스의 양을 그 이전(탄화수소 가스 공급량 감소 이전)과 대등한 양으로 유지시켜주게 되므로 본 발명에서 퍼지밸브의 개방 및 폐쇄 작동에 의한 급격한 압력변동과 이에 따라 발생하는 파동의 크기를 그 이전과 같이 대등한 수준으로 발생할 수 있도록 한 것이다.In addition, it has been described that a method of reducing the amount of the supplied hydrocarbon gas can be used when the pressure difference is not reduced despite the control of the purge valve. In this case, the amount of gas introduced into the reactor is reduced. However, if the amount of gas inside the reactor is reduced, the pressure fluctuation and the resulting wave size within the reactor are inevitably reduced when the above-described purge valve is opened and closed. Also, when the purge valve is opened, the reactor The flow rate of the reaction completion gas exiting the gas is inevitably reduced. Therefore, in the present invention, when the supply amount of hydrocarbon gas is reduced, the controller controls the flow controller (MFC) to supplement the reduced supply amount to supply inert gases such as Ar and He to the reactor. In this case, the inert gas does not participate in the reaction, but maintains the amount of gas inside the reactor at the same amount as before (before the decrease in hydrocarbon gas supply). This is to ensure that the fluctuation and the size of the resulting wave can be generated at the same level as before.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.As described above, the detailed description of the present invention has been made by the embodiments with reference to the accompanying drawings, but since the above-described embodiments have only been described with preferred examples of the present invention, the present invention is limited only to the above embodiments It should not be understood as being, and the scope of the present invention should be understood as the following claims and their equivalent concepts.

10 : 탄화수소 가스 공급 제어 밸브
11 : 제1압력센서
12 : 탄화수소 가스 공급 배관
20 : 퍼지 밸브
22 : 제2압력센서
40 : 릴리프 밸브
50 : 고온 반응기
51 : 가스 분배기
52 : 촉매
53 : 퍼니스
81 : 수소 배출 배관
90 : 탄소포집부
91 : 탄소필터
92 : 반응완료 가스 배출 배관10: hydrocarbon gas supply control valve
11: first pressure sensor
12: hydrocarbon gas supply pipe
20: purge valve
22: second pressure sensor
40: relief valve
50: high temperature reactor
51 gas distributor
52: catalyst
53: furnace
81: hydrogen exhaust pipe
90: carbon collection unit
91: carbon filter
92: reaction completion gas exhaust pipe

Claims (9)

히터가 구비된 퍼니스에 의해 감싸지며 촉매를 담지한 담지체가 내부에 구비되어 탄화수소 가스를 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해하는 고온 반응기;
상기 고온 반응기의 내부의 압력을 측정하는 압력센서;
상기 고온 반응기로 공급되는 탄화수소 가스의 유량을 제어하는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브;
상기 고온 반응기에서 반응을 수행한 반응완료가스의 배출을 제어하는 퍼지밸브;
내측에 탄소필터가 구비되어 탄소를 포집 및 회수하여 외부로 배출하는 탄소포집부; 및
상기 탄화수소 가스 공급 제어 밸브 및 상기 퍼지밸브의 작동을 제어하는 제어기;를 포함하며,
상기 압력센서에서 측정된 압력값이 기준치를 초과하는 경우 상기 제어기에서 상기 퍼지밸브를 폐쇄시켜 상기 고온 반응기 내부의 압력을 상승시킨 후 상기 퍼지 밸브가 개방되도록 제어함으로써 내부 압력이 상대적으로 높은 상기 고온 반응기와 내부 압력이 상대적으로 낮은 상기 탄소포집부 사이의 압력차에 의해 상기 고온 반응기 내부의 가스가 급격하게 하강하면서 상기 고온 반응기 내부에 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하여 상기 촉매를 담지한 담지체를 진동시켜 증착된 탄소가 이탈되도록 하고,
상기 퍼지 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력센서에서 측정된 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 상기 제어기에서 상기 퍼지 밸브를 개방시킨 상태에서 상기 탄화수소 가스 공급 밸브를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켰다가 급격하게 상승시켜 상기 고온 반응기 내부에 큰 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하여 상기 촉매를 담지한 담지체를 진동시켜 증착된 탄소를 이탈시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
A high-temperature reactor surrounded by a furnace equipped with a heater and provided with a support on which the catalyst is supported therein to decompose hydrocarbon gas into gaseous hydrogen and solid carbon;
a pressure sensor for measuring the pressure inside the high-temperature reactor;
a hydrocarbon gas supply control valve for controlling a flow rate of the hydrocarbon gas supplied to the high-temperature reactor;
a purge valve for controlling the discharge of the reaction completion gas that has undergone the reaction in the high-temperature reactor;
a carbon collection unit provided with a carbon filter inside to collect and recover carbon and discharge it to the outside; and
a controller for controlling the operation of the hydrocarbon gas supply control valve and the purge valve;
When the pressure value measured by the pressure sensor exceeds a reference value, the controller closes the purge valve to increase the pressure inside the high-temperature reactor, and then controls the purge valve to open, so that the internal pressure is relatively high in the high-temperature reactor The gas inside the high-temperature reactor is rapidly lowered by the pressure difference between the carbon trapping unit and the relatively low internal pressure, and a wave is generated in the high-temperature reactor according to the pressure fluctuation, thereby carrying the catalyst. Vibrating so that the deposited carbon is released,
When the pressure value measured by the pressure sensor does not decrease despite the control of the purge valve, the controller controls the hydrocarbon gas supply valve while the purge valve is opened to decrease the supply flow rate of the hydrocarbon gas and then suddenly Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus, characterized in that the deposited carbon is released by vibrating the support supporting the catalyst by increasing the temperature to generate a wave according to a large pressure fluctuation inside the high-temperature reactor.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는,
상기 고온 반응기에 배치되는 담지체의 기공도는 30% 내지 97%의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
According to claim 1,
The hydrocarbon pyrolysis hydrogen production device,
Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus, characterized in that the porosity of the support disposed in the high-temperature reactor is within the range of 30% to 97%.
 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 퍼지 밸브 및 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
According to claim 1,
Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus, characterized in that for reducing the supply flow rate of hydrocarbon gas when the pressure value does not decrease despite the control of the purge valve and the hydrocarbon gas supply control valve.
 제1항에 있어서,
상기 퍼지 밸브 및 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 상기 고온 반응기의 반응 온도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
According to claim 1,
Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus, characterized in that for increasing the reaction temperature of the high-temperature reactor when the pressure value does not decrease despite the control of the purge valve and the hydrocarbon gas supply control valve.
 제1항에 있어서,
상기 퍼지 밸브 및 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시키는 동시에 비활성 가스를 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.According to claim 1,
In spite of the control of the purge valve and the hydrocarbon gas supply control valve, if the pressure value is not reduced, the supply flow rate of the hydrocarbon gas is reduced and the inert gas is supplied to the reactor. 삭제delete
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4622667B2 (en) 2004-05-19 2011-02-02 三菱マテリアル株式会社 Porous metal catalyst and method for producing the same
JP5509595B2 (en) 2006-09-08 2014-06-04 日立化成株式会社 Method for producing carbon nanotube
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4622667B2 (en) 2004-05-19 2011-02-02 三菱マテリアル株式会社 Porous metal catalyst and method for producing the same
JP5509595B2 (en) 2006-09-08 2014-06-04 日立化成株式会社 Method for producing carbon nanotube
KR101807152B1 (en) 2016-11-22 2018-01-10 현대자동차 주식회사 System and method of preventing surge of vehicle

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